Indische Elefanten haben offenbar größere Gehirne als wir. Mäuse haben ein höheres Verhältnis von Gehirn-zu-Körpermasse und Langflossen-Grindwale haben mehr Neuronen. Was unterscheidet den Menschen – und genauer gesagt das menschliche Gehirn?
Was die Organe betrifft, so ist der Energieverbrauch des menschlichen Gehirns zweifellos enorm – täglich werden fast 50 Gramm Zucker oder 12 Stück Zucker verbraucht. Dies hat im Vergleich zum Körperstoffwechsel einen der höchsten Energieanforderungen aller bekannten Arten. Doch was verbraucht diese Energie? Wenn die Größe und Anzahl der Neuronen im menschlichen Gehirn mit den Vorhersagen von Primaten übereinstimmen und der Energieverbrauch pro Neuron mit dem anderer Säugetiere vergleichbar ist, sollte der Energieverbrauch des menschlichen Gehirns nicht eindeutig sein.
Die Kosten der Signalisierung
Ein Team von Neurowissenschaftlern vermutet, dass die Menge an Signalen im menschlichen Gehirn für seinen erhöhten Energiebedarf verantwortlich sein könnte. Ein Ergebnis davon ist, dass Bereiche des Gehirns, die enger miteinander verbunden sind und über mehr Signale verfügen, mehr Energie verbrauchen.
Um ihre Hypothese zu testen, bildeten die Wissenschaftler zunächst das Gehirn von 30 gesunden, rechtshändigen Freiwilligen im Alter von 20 bis 50 Jahren ab. Die Bildgebung wurde an zwei verschiedenen Institutionen durchgeführt, und die Forscher nutzten die Bildgebung, um den Energieverbrauch (gemessen durch den Glukosestoffwechsel) bestimmter Gehirnregionen mit ihren Signal- und Konnektivitätsniveaus zu korrelieren. Sie fanden heraus, dass in allen 30 Gehirnen Energieverbrauch und Signalübertragung gleichzeitig erfolgten. Aber bestimmte Bereiche stechen hervor. Signalwege in bestimmten Bereichen der Großhirnrinde (dem vorderen Teil des Gehirns) benötigen fast 70 % mehr Energie als Signalwege in sensomotorischen Bereichen.
Der Frontalcortex ist eine der am schnellsten expandierenden Regionen während der menschlichen Evolution. Robert Sapolsky glaubt: „Die wichtigste Rolle des präfrontalen Kortex besteht darin, schwierige Entscheidungen angesichts von Versuchungen verzögerter Befriedigung, langfristiger Planung, Impulskontrolle und emotionaler Regulierung zu treffen. Der präfrontale Kortex ist entscheidend dafür, dass man bei schwierigeren Dingen das Richtige tun kann. Dies ist ein Problem, mit dem sich der Mensch ständig auseinandersetzen muss. Energietechnisch ist dies mit enormen Kosten verbunden.“
Die Stärkung der Regulierung ist auch der Schlüssel zur Erkenntnis
Energie wird nicht nur für die Signalübertragung benötigt, sondern auch für die Regulierung der Signalübertragung, um sicherzustellen, dass die Signalübertragung auf der richtigen Ebene und zum richtigen Zeitpunkt erfolgt.
Die Forscher verwendeten den Allen Brain Atlas, um die Genaktivität im frontalen Kortex zu untersuchen. Sie fanden eine erhöhte Aktivität von Neuromodulatoren und ihren Rezeptoren. Die Autoren stellen fest: „Das menschliche Gehirn verbraucht zu viel Energie für die langfristige Regulierung von (schnellen) Neurotransmittern mit (langsamen) Neuromodulatoren wie Serotonin, Dopamin oder Noradrenalin. Es gibt auch endogene Opiate. Bei diesem Effekt geht es eher darum, den Ton der gesamten Erregbarkeit festzulegen, als einzelne Informationen zu liefern.“
Nachdem die Wissenschaftler den Energieverbrauch mit der Signalübertragung und langsam wirkenden Neuromodulation in der Großhirnrinde verknüpft hatten, untersuchten sie als letztes ein neuronales Netzwerkprojekt, das kognitive Funktionen auf Gehirnregionen abbildet. Es wurde festgestellt, dass die energieverbrauchenden, hochgradig vernetzten, stark regulierten und evolutionär erweiterten Teile der Großhirnrinde diejenigen sind, die an komplexen Funktionen wie Gedächtnisverarbeitung, Lesen und kognitiver Hemmung beteiligt sind. Dies stützt ihre Ansicht, dass „eine teure Signalarchitektur der menschlichen Wahrnehmung gewidmet ist“.
Science Advances, 2023. DOI:10.1126/sciadv.adi7632